学年度最新高中物理第三章传感器第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学教学案教科版选修3Word文件下载.docx
《学年度最新高中物理第三章传感器第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学教学案教科版选修3Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学年度最新高中物理第三章传感器第34节生活中的传感器简单的光控和温控电路选学教学案教科版选修3Word文件下载.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
此时发光二极管就相当于一个由环境明暗变化而自动控制的灯。
2.温控电熨斗
图332
利用热敏电阻作控制元件,从而使电熨斗的温度在低于指定值时,电热器供电加热,否则将电源关闭。
室温下,如果发光二极管不亮,则调节电位器R1,直到发光二极管发光为止。
然后将电烤灯通电并靠近热敏电阻加热,看它是否熄灭,如果此时发光二极管不熄灭,则再调节电位器。
反复将电烤灯靠近或远离热敏电阻,直到可以实现发光二极管在热敏电阻温度升高时熄灭,正常室温时发光为止。
1.自主思考——判一判
(1)通常的传感器可以直接用来进行自动控制。
(×
)
(2)传感器可以用来采集信息。
(√)
(3)传感器可以将感受到的一些信号转换为电学量。
(4)洗衣机的脱水传感器是根据温度变化控制脱水动作的。
(5)电冰箱是利用温度传感器自动控温的。
2.合作探究——议一议
(1)家庭中电视机、空调等的遥控器应用了什么传感器?
提示:
红外线遥控传感器。
(2)夜晚,楼梯上漆黑一片,但随着我们的脚步声响,楼梯的灯亮了;
我们登上一层楼,灯光照亮一层楼,而身后的灯则依次熄灭,这种楼梯灯控制装置好像能“听到”我们的到来,开灯迎接;
又好像能“看见”我们的离去,关灯节能。
这种“人性化”的功能是靠什么实现的呢?
靠电路中安装的一种能将声、光信号转换为电学量的传感器——声光控延时开关实现的。
(3)电熨斗在达到设定的温度后就不再升温,当温度降低时又会继续加热,使它总与设定的温度相差不多。
你知道电熨斗是靠什么来自动控制温度的吗?
图333
利用双金属片温度传感器来控制电路的通断。
力传感器的应用
1.传感器问题的分析思路
物理传感器是将所感受的物理量(如力、热、光等)转换为便于测量的电学量的器件。
我们可以把传感器的应用过程分为三个步骤:
⇒⇒
2.分析传感器问题的四点注意
感受量
分析
要明确传感器所感受的物理量,如力、热、光、磁、声等
输出信号分析
明确传感器的敏感元件,分析它的输入信号及输出信号,以及输入信号与输出信号间的变化规律
电路结构分析
认真分析传感器所在的电路结构,在熟悉常用电子元件工作特点的基础上,分析电路输出信号与输入信号间的规律
执行机构工作分析
传感器的应用,不仅包含非电学量如何向电学量转化的过程,还包含根据所获得的信息控制执行机构进行工作的过程
[典例] (多选)压敏电阻的阻值会随所受压力的增大而减小。
某位同学利用压敏电阻设计了判断电梯运动状态的装置,其装置示意图如图334所示,将压敏电阻平放在电梯内,受压面朝上,在上面放一物体m,电梯静止时电流表示数为I0,电梯在不同的运动过程中,电流表的示数分别如图335甲、乙、丙、丁所示,下列判断中正确的是( )
图334
图335
A.甲图表示电梯一定处于静止状态
B.乙图表示电梯可能做匀加速上升运动
C.丙图表示电梯可能做匀加速上升运动
D.丁图表示电梯可能做变减速下降运动
[思路点拨]
解答本题时应注意以下两点:
(1)电流表示数与物体对压敏电阻的压力大小的关系。
(2)根据It图像只能分析电梯加速度的大小和方向,无法确定电梯速度的方向。
[解析] 根据欧姆定律可知电流表示数为I=,而R的阻值又取决于其与受压面的压力,即取决于运动状态。
若为甲图,电流恒定且等于电梯静止时电流表示数I0,故可判断此时电梯处于平衡状态,即有可能静止,也有可能做匀速直线运动,故A错;
若电梯做匀加速上升运动,物体所受支持力恒定,压敏电阻阻值恒定,故电流恒定,且大于I0,故B错,C对;
根据牛顿第二定律可知物体加速度a=,若a恒定,则N恒定,R恒定,电流恒定,若a变化→N变化→R变化→电流I变化,故D正确。
[答案] CD
力传感器感受到力的信息(如大小、方向是否变化等)后将其转化为电压、电流、电阻等电学量,所以这类问题要用到力学知识(牛顿定律、运动学公式等)和电学知识(欧姆定律、电阻定律等)综合解决。
1.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小,有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置,其工作原理如图336(a)所示,将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上,中间放置一个绝缘重球。
小车向右做直线运动过程中,电流表示数如图(b)所示,下列判断正确的是( )
图336
A.从t1到t2时间内,小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内,小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内,小车做匀速直线运动
D.从t2到t3时间内,小车做匀加速直线运动
解析:
选D 由题意知,压敏电阻中的电流随所受压力而变化,压力不变时,电流一定,压力变化时,电流变化,由牛顿第三定律,压敏电阻对重球也产生大小相同的压力。
由题图(b)可知,在t2~t3时间内电流不变,表示压力不变,小车做匀加速运动,在t1~t2时间内电流增大,压力增大,小车做加速度增大的运动,故A、B、C均错误,D正确。
2.用如图337所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。
该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。
用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0kg的滑块,滑块可无摩擦滑动。
两弹簧的另一端分别接在传感器a、b上,其压力大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。
现将装置沿运动方向固定在汽车上,传感器b在前,传感器a在后。
汽车静止时,传感器a、b的示数均为10N(取g=10m/s2)。
图337
(1)若传感器a的示数为14N,b的示数为6.0N,求此时汽车的加速度大小和方向。
(2)当汽车以怎样的加速度运动时,传感器a的示数为零?
(1)如图所示,依题意,左侧弹簧对滑块向右的推力F1=14N,右侧弹簧对滑块向左的推力F2=6.0N。
滑块所受合力产生加速度a1,根据牛顿第二定律有F1-F2=ma1,得a1==m/s2=4.0m/s2。
a1与F1同方向,即向前(向右)。
(2)a传感器的读数恰为零,即左侧弹簧的弹力F1′=0,因两弹簧相同,左弹簧伸长多少,右弹簧就缩短多少,所以右弹簧的弹力变为F2′=20N,滑块所受合力产生加速度,由牛顿第二定律得F合=F2′=ma2。
解得a2==-10m/s2。
负号表示方向向后(向左)。
答案:
见解析
简单的光控电路设计
[典例] 为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。
光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx)。
某光敏电阻RP在不同照度下的阻值如下表:
照度(lx)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
电阻(kΩ)
75
40
28
23
20
18
(1)根据表中数据,请在图338中的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,并说明阻值随照度变化的特点。
图338 图339
(2)如图339所示,当1、2两端所加电压上升至2V时,控制开关自动启动照明系统。
请利用下列器材设计一个简单电路,给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图。
(不考虑控制开关对所设计电路的影响)
提供的器材如下:
光敏电阻RP(符号,阻值见上表);
直流电源E(电动势3V,内阻不计);
定值电阻:
R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=40kΩ(限选其中之一并在图中标出);
开关S及导线若干。
[解析]
(1)如图甲所示,光敏电阻的阻值随光照度的增大非线性减小。
(2)电路原理图如图乙所示,根据串联电阻的正比分压关系,E=3V,当照度降低至1.0lx时,由图线知,此时光敏电阻RP=20kΩ,URP=2V,串联电阻分压UR=1V,由==2得R==10kΩ,故选定值电阻R1。
[答案] 见解析
求解传感器控制电路类问题的一般思路
(1)首先明确控制电路的工作原理;
(2)然后分清所应用的传感器及其特性;
(3)最后结合电路知识完成设计。
1.光电管在各种自动化装置中有很多应用,街道的路灯自动控制开关就是其应用之一,如图3310所示为其模拟电路,其中A为光电管,B为电磁继电器,C为照明电路,D为路灯。
试简述其工作原理。
图3310
开关合上后,白天,光电管在可见光照射下有电子逸出,从光电管阴极逸出的电子被加速到达阳极,使电路接通,电磁铁中的强电流将衔铁吸下,照明电路断开,灯泡不亮;
夜晚,光电管无电子逸出,电路断开,弹簧将衔铁拉上,照明电路接通,这样就达到日出路灯熄,日落路灯亮的效果。
2.在城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关,实现自动控制。
光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化,作为简化模型,可以近似认为,照射光较强(如白天)时电阻几乎为0;
照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大。
利用光敏电阻作为传感器,借助电磁开关,可以实现路灯自动在白天关闭,黑天打开。
电磁开关的内部结构如图3311所示。
1、2两接线柱之间是励磁线圈,3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。
当励磁线圈中电流大于50mA时,电磁铁吸合铁片,弹簧片和触点分离,3、4断开;
电流小于50mA时,3、4接通。
励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA。
图3311
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路,画出电路原理图。
光敏电阻R1,符号
灯泡L,额定功率40W,额定电压36V,符号
保护电阻R2,符号
电磁开关,符号
蓄电池E,电压36V,内阻很小;
开关S,导线若干。
(2)回答下列问题:
①如果励磁线圈的电阻为200Ω,励磁线圈允许加的最大电压为______V,保护电阻R2的阻值范围是________Ω。
②在有些应用电磁开关的场合,为了安全,往往需要在电磁铁吸合铁片时,接线柱3、4之间从断开变为接通。
为此,电磁开关内部结构应如何改造?
请结合本题中电磁开关内部结构图说明。
(1)电路原理如图所示。
(2)①由题意知,最大电流Im=100mA,则
Um=ImR=100×
10-3×
200V=20V
又E=I(R2+R)
因50mA<I≤100mA
代入数据解得160Ω≤R2<
520Ω。
②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧,保证当磁铁吸合铁片时,3、4之间接通;
不吸合时,3、4之间断开。
(1)见解析
(2)①20 160~520 ②见解析
温控电路的设计与应用
[典例] 如图3312所示,图甲为热敏电阻的Rt图像,图乙为用此热敏电阻R和继电器组成的一个简单恒温箱温控电路,继电器的电阻为100Ω。
当线圈的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸合。
为继电器线圈供电的电池的电动势E=9.0V,内阻可以不计。
图中的“电源”是恒温箱加热器的电源。
则
图3312
(1)应该把恒温箱内的加热器接在________(填“A、B端”或“C、D端”)。
(2)如果要使恒温箱内的温度保持50℃,可变电阻R′的阻值应调节为________Ω。
[思路点拨] 解答此题应注意以下两点:
(1)继电器的工作原理。
(2)恒温箱内的温度与电流的关系。
[解析]
(1)恒温箱内的加热器应接在A、B端。
当线圈中的电流较小时,继电器的衔铁在上方,恒温箱的加热器处于工作状态,恒温箱内温度升高。
(2)随着恒温箱内温度升高,热敏电阻R的阻值变小,则线圈中的电流变大,当线圈中的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸到下方来,则恒温箱加热器与电源断开,加热器停止工作,恒温箱内温度降低。
随着恒温箱内温度降低,热敏电阻R的阻值变大,则线圈中的电流变小,当线圈的电流小于20mA时,继电器的衔铁又被释放到上方,则恒温箱加热器又开始工作,这样就可以使恒温箱内保持在某一温度。
要使恒温箱内的温度保持50℃,即50℃时线圈内的电流为20mA。
由闭合电路欧姆定律I=,r为继电器的电阻。
由图甲可知,50℃时热敏电阻的阻值为90Ω,所以R′=-R-r=260Ω。
[答案]
(1)A、B端
(2)260
(1)分析工作原理时,要理解两个电路的连接情况,即明确控制电路和工作电路。
(2)明确温度传感器的原理,因温度变化,阻值变化,所以要注意结合闭合电路欧姆定律进行处理。
1.如图3313甲所示为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图,箱内的电阻R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,RT为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,a、b端电压Uab≤0时,电压鉴别器会令开关S接触,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高;
当a、b端电压Uab>
0时,电压鉴别器会令开关S断开,停止加热,则恒温箱内的温度可保持在( )
图3313
A.10℃ B.20℃
C.30℃D.45℃
选C 由题可知Uab=0是一个电压的临界点,对应着开关S的动作,而开关的动作对应着温度的上升或下降。
由电路图可知,在R1、R2、R3给定的条件下,热敏电阻RT的阻值决定了Uab的正负。
设电源负极的电势为零,则φa=U,φb=U,其中U为电源的路端电压,令φa=φb,即Uab=0,则可得=,代入数据得RT=20kΩ,由题图乙得对应的温度为30℃,C正确。
2.现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过60℃时,系统报警。
提供的器材有:
热敏电阻,报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警),电阻箱(最大阻值为999.9Ω),直流电源(输出电压为U,内阻不计),滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω),滑动变阻器R2(最大阻值为2000Ω),单刀双掷开关一个,导线若干。
在室温下对系统进行调节。
已知U约为18V,Ic约为10mA;
流过报警器的电流超过20mA时,报警器可能损坏;
该热敏电阻的阻值随温度升高而减小,在60℃时阻值为650.0Ω。
(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。
图3314
(2)电路中应选用滑动变阻器________(填“R1”或“R2”)。
(3)按照下列步骤调节此报警系统:
①电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为________Ω;
滑动变阻器的滑片应置于________(填“a”或“b”)端附近,不能置于另一端的原因是________________________________________________________________________。
②将开关向________(填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至________________________________________________________________________。
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。
(1)电路图连接如图。
(2)报警器开始报警时,对整个回路有
U=Ic(R滑+R热)
代入数据可得R滑=1150.0Ω,因此滑动变阻器应选择R2。
(3)①在调节过程中,电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用,电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值,即为650.0Ω。
滑动变阻器在电路中为限流接法,滑片应置于b端附近,若置于另一端a时,闭合开关,则电路中的电流I=A≈27.7mA,超过报警器最大电流20mA,报警器可能损坏。
②开关应先向c端闭合,移动滑动变阻器的滑片,直至报警器开始报警为止。
(1)连线如解析图所示。
(2)R2 (3)①650.0 b 接通电源后,流过报警器的电流会超过20mA,报警器可能损坏 ②c 报警器开始报警
1.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程,下列属于这类传感器的是( )
A.红外报警装置
B.走廊照明灯的声控开关
C.自动洗衣机中的压力传感装置
D.电饭煲中控制加热和保温的温控器
选A 电视遥控器和红外报警装置工作时都是将光信号转换为电信号,则A选项正确;
而B选项是将声音信号转换为电信号,C选项是感知压力来传递信息,D选项是通过温度来控制电路。
2.(多选)如图1所示是自动调温式电熨斗,下列说法正确的是( )
图1
A.常温时上下触点是接触的
B.双金属片温度升高时,上金属片形变较大,双金属片将向下弯曲
C.原来温度控制在80℃断开电源,现要求60℃断开电源,应使调温旋钮下调一些
D.由熨烫丝绸衣物状态转变为熨烫棉麻衣物状态,应使调温旋钮下移一些
选ABD 常温工作时,上下触点是接通的,当温度升高时,上层金属片形变大,向下弯曲,切断电源。
切断温度要升高,则应使调温旋钮下移一些,A、B、D对,C错。
3.(多选)全自动洗衣机中的排水阀是由程序控制器控制其动作的,当进行排水的程序时,控制铁芯1的线圈通电,使铁芯2运动,从而牵引排水阀的阀门排除污水(如图2所示)。
以下说法中正确的是( )
图2
A.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为N极,B端为S极
B.若输入的控制电流由a流入,由b流出,则铁芯2中A端为S极,B端为N极
C.若a、b处输入交变电流,则铁芯2不能被吸入线圈中
D.若a、b处输入交变电流,则铁芯2仍能被吸入线圈中
选AD 若输入的控制电流由a流入,由b流出,则螺线管左端为N极,右端为S极;
铁芯被通电螺线管磁化,A端为N极,B端为S极。
4.如图3所示为一种温度自动报警器的原理图,在水银温度计的顶端封入一段金属丝,以下说法正确的是( )
图3
A.温度升高至74℃时,L1亮灯报警
B.温度升高至74℃时,L2亮灯报警
C.温度升高至78℃时,L1亮灯报警
D.温度升高至78℃时,L2亮灯报警
选D 当温度低于78℃时,线圈中没有电流,此时仅灯L1亮;
当温度升高到78℃时,线圈中有电流,磁铁吸引衔铁,灯L2被接通,所以灯L2亮报警;
温度升高至74℃时,线圈中没有电流,只是灯L1亮。
5.计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器。
该电容器的电容可用公式C=ε计算,式中ε=9×
10-12F/m,S为金属片的正对面积,d表示两金属片间距。
当键被按下时,此电容器的电容发生变化,与之相连的电子线路就能检测出哪个键被按下了,从而给出相应的信号。
设每个金属片的正对面积为50mm2,键未按下时的金属片间距为0.6mm。
如果电容变化了0.25pF,电子线路恰能检测出必要的信号,则键至少需要被按下( )
A.0.15mm B.0.25mm
C.0.35mmD.0.45mm
选A 根据题意d1=0.6mm=0.6×
10-3m,
C1=ε=7.5×
10-13F。
按下金属片,间距变小,电容变大,变为:
C2=(C1+0.25×
10-12)F=1×
10-12F,
根据公式C2=ε得,
d2==0.45×
Δd=d1-d2=0.15×
10-3m。
6.小强用恒温箱进行实验时,发现恒温箱的温度持续升高,无法自动控制。
经检查,恒温箱的控制器没有故障。
参照图4,下列对故障判断正确的是( )
图4
A.只可能是热敏电阻出现故障
B.只可能是温度设定装置出现故障
C.热敏电阻和温度设定装置都可能出现故障
D.可能是加热器出现故障
选C 恒温箱内温度持续升高,说明加热器没有损坏,选项D错误。
无法自动控制,而经检查控制器又没有故障,说明控制器没问题。
热敏电阻或温度设定装置出现故障都能使温度持续升高,故应选C。
7.惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中,这个系统的重要元件之一是加速度计。
加速度计构造原理示意图如图5所示,沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套有一质量为m的滑块,滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连;
两弹簧的另一端与固定壁相连。
滑块原来静止,弹簧处于自然长度,滑块上有指针可通过标尺测出滑块的位移,然后通过控制系统进行制导。
设某段时间内导弹沿水平方向运动,指针向左偏离O点的距离为s,则这段时间内导弹的加速度( )
图5
A.方向向左,大小为
B.方向向右,大小为
C.方向向左,大小为
D.方向向右,大小为
选D 当指针向左偏离O点的距离为s时,与滑块相连的左边弹簧被压缩s,右边弹簧被拉伸s,因而弹簧对滑块的弹力的大小均为ks,且方向均水平向右,即滑块受到的合力大小为2ks,方向水平向右。
由牛顿第二定律可知选项D正确。
8.某种位移传感器的工作原理如图6(a)所示,物体M在导轨上平移时,带动滑动变阻器的滑片P一起平移,通过理想电压表的示数来反映物体M的位移x。
已知电源电动势为E,内阻不计,滑动变阻器的总长为L,物体M以O为平衡位置做简谐运动(取向右为正方向),振幅为,物体经过O时P恰好位于滑动变阻器的中点。
若电压表的示数U随时间t的变化关系如图(b)所示,则在图示0~t1时间内,下列说法正确的是( )
图6
A.物体M的速度为正方向且不断增大
B.物体M的速度为负方向且不断减小
C.物体M的加速度为正方向且不断增大
D.物体M的加速度为负方向且不断减小
选A 由0~t1时间